CN111331243B - 一种基于搅拌摩擦技术的高通量块体材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于搅拌摩擦技术的高通量块体材料制备方法，包括如下步骤：(1)确定研究目标，选用成分不同、厚度相同的多块板材作为母材，进行预处理，并将处理后的母材装夹固定于加工平台上；(2)设定搅拌摩擦加工参数，并按照一定加工方向完成加工，得到的块体材料中所研究成分沿加工方向连续变化。与现有技术相比，本发明制备得到的材料成分呈梯度变化，可根据计算切取对应成分的样品；制备过程具有能耗低、绿色环保等优点；实验设备无需控制真空度、磁场和温度等条件，简便易行，且制备的块体材料可通过后续工艺调整尺寸和性能。

Description

一种基于搅拌摩擦技术的高通量块体材料制备方法

技术领域

本发明涉及金属块体材料制备技术，特别涉及金属块体材料的高通量制备技 术。

背景技术

随着科学技术的进步，人们对于材料提出了越来越严苛的挑战和要求，开发新 材料的工作也成为了备受关注的焦点。然而基于“逐个试错”的传统材料开发方法 在如今的科研工作中暴露出了极大的局限性，一方面逐个制备样品尝试的过程不仅 耗时较长，而且浪费了大量的物料资源；另一方面，在面对诸如高熵合金、非晶合 金、新型高温合金等包含多种元素的新型材料研发问题时，沿用传统的实验方法所 需要的工作量是巨大的，这让此类材料的开发几乎变成了难以解决的难题。因此， 能够在短时间内完成大量样品制备与表征的“材料高通量实验”受到广泛关注。通 过把传统研发过程中顺序迭代的实验方式转变为高通量并行实验，这一实验方法大 大提高材料开发效率，缩短了研发周期，由此而受到广泛关注。

作为“材料基因组技术”的三大关键要素之一，材料的高通量实验起到了承上 启下的作用，不仅为高通量计算模型提供实验论证，而且为材料数据库提供可靠的 数据来源。在实验方法中，高通量样品的制备往往是研究的基础。然而，现有的制 备方法主要集中在薄膜样品的制备与研究，如共沉积法、模板镀膜法等方法。采用 扩散多元节法、微机电结构法等方法虽可制备得到三维样品，但样品尺寸往往远小 于宏观结构件尺寸，这不仅对机械性能的检测设备提出挑战，而且由于材料的尺寸 效应，测试结果往往与宏观结构件的实际性能存在差异。而对于制备块体高通量材 料的研究却鲜有报道。《Compositional andthermo-mechanical high throughput bulk combinatorial design of structuralmaterials based on the example of 30Mn–1.2C–xAl triplex steels》一文中通过熔炼的方法在35小时内制备得到45种具有不同成分和 热处理工艺的块体材料，但其研究成分范围较为有限，无法实现成分的连续变化。

公开号为CN106521589A的专利公开了一种高通量镁合金块体样品的制备方 法，此方法通过调整电镀时间和金属正极的种类来快速获得多组分多配比浓度的样 品。但电镀只能起调节样品成分的配比，在电镀后仍需要对样品进行重新熔炼，会 造成能源大量消耗和样品烧损等问题。公开号为CN108468045A的专利公开了一 种通过粉末沉积的制备方法。通过一个可编程的机械手臂带动喷枪，将带有不同组 分和混合比例的镁合金粉末在高温保护气体的作用下喷涂到槽中从而实现块体高 通量材料的制备。然而此种方法所获得的材料致密度有限，性能相较于传统熔炼方 式有一定区别。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述技术存在的缺陷而提供一种绿色无污染、简单易行以及具有广泛应用前景的高通量块体材料制备新方法。

本发明可以通过以下技术方案来实现，包括：母材准备、母材装夹、搅拌摩擦 加工、成分均匀化和性能表征等步骤。具体包括如下步骤：

(1)母材准备：确定研究目标组元成分区间，选用成分配比不同，厚度相同 的多块板作为母材，对试样板材进行清洗、打磨。采用丙酮作为清洗剂，将板材进 行清洗。在超声波的作用下清洗3分钟，去除母材表面灰尘及油污，清洗后的母材 烘干备用。采用240#到2000#号砂纸逐级打磨，将接触面打磨平整。这样可以便于 两材料间更紧密的贴合，以保证制备得到的样品质量，同时，在这一过程中材料表 面氧化膜被去除掉，便于材料的混合；

(2)母材装夹：将处理后的母材固定于加工平台上，具体为：打磨过的多块 板材对接放置并通过装夹装置固定，保证母材板与砧板在加工过程中不发生位移。 相邻板材之间的缝隙为相邻板材接缝线，调整搅拌头与相邻板材接缝线的相对位 置，使起始位置处搅拌针完全偏置于接缝线一侧，结束位置搅拌针完全位于接缝线 另一侧，首末端间距可根据材料研究的具体情况进行调整；

(3)搅拌摩擦加工：设定搅拌摩擦过程中实验参数，使得搅拌头以一定的转 速(一般为200-3000rpm)和下压速度(一般为1-10mm/min)压入材料，并按照 起止点以一定的转速(一般为200-3000rpm)和走速(一般为10-500mm/min)完 成一次或多次搅拌摩擦加工；设备主轴应与加工方向呈钝角，与重力方向呈一定角 度，倾斜角度不宜过大，应保持在0°-5°。

(4)材料的均匀化：多次(1-20次)重复步骤3，并可在每道次加工时转变 搅拌头旋转方向，使得材料更加充分的混合。经过多次加工制备得到的材料成分沿 加工方向梯度变化。对样品也可采用轧制、锻造等方法调整形状，进而改变材料的 成分梯度。之后对样品进行N等分，即得到N个成分各不相同的块状材料样品， 并对材料进行进一步的均匀化热处理。

作为母材的多块板均为多组元板材，每块板材中各组元含量不同，进行装夹固 定时，按照其中某种组元含量递增或递减的方式进行排列组合固定。多组元板材可 以为合金板材，包括二元合金材料(如AlMg合金、MgLi合金、AlTi合金等)、三 元合金材料(如MgAlZn合金板材、CuAlMgLi合金板材等)或多元合金材料(如 FeCoCrNiMn高熵合金等)，还可以为多相复合材料(如Al-碳纤维复合材料、Al-SiC 复合材料等)。所制备的样品为含有多种不同组元成分且各组元成分含量发生可控 变化的块体材料，当研究目标中的组元成分的数量n>1时，所选母材包含各成分 区间，通过设计多块不同板材装夹和规划加工路线实现高通量制备多种成分变化的 块体材料。

对于制备任意成分A含量在[a％,b％]上变化的块体材料，选用成分A含量分 别为a％和b％的板材作为母材，其中a为0～100，b为100～0，且a小于b不相等。

所述的成分A为合金中某一元素或复合材料中的某一相，当研究目标为元素 时，含量即为元素在合金材料中的含量；当研究目标为复合材料中某一相时，含量 即为该种相在复合材料中所占比例。

步骤(2)中按照一定加工方向完成加工是指：调整搅拌头与相邻板材接缝线 的相对位置，使搅拌头从起始位置沿加工方向加工至结束位置，其中，起始位置相 切或相离于相邻板材接缝线，并完全位于某一母材侧，加工路线穿越相邻板材接缝 线，结束位置位于另一母材侧，加工方向与相邻板材接缝线的夹角为α，0°＜α＜ 90°，优选30°～60°，进一步优选45°。

所述的搅拌摩擦加工为多道次重复加工，不同加工道次间可改变搅拌头旋转方向，加工道次为1-20次，优选加工道次为2-10次。多道次搅拌摩擦焊接为保持起 止点不变，在一次制备过程完成后，可改变搅拌头旋转方向，再进行一次搅拌摩擦 加工，以提高材料的混合程度，优选加工次数为3-8次。

搅拌摩擦加工得到的高通量块体材料成分沿加工方向连续变化，对于样品上任意一点的成分，与该点在所在位置有关，为该处不同组元含量与体积的加权平均值， 在理想状态下有：设混合区域宽度为d，过该点做垂直于加工方向的直线，交混合 区域于a、b两点，在线段ab上不同板材A、B、C…所占线段长度分别记为d1、 d2、d3…则在该点上成分x为：

对材料进行N等分采用的切割方式可选用线切割、激光切割等，若母材中所 研究元素含量分别为a％，b％，则样品中第n块样品成分为：

由此制 备得到N个成分不同的块体材料样品。

进一步地，对于所得到的材料样品可依情况进行热处理，主要使材料在扩散作 用下更加均匀化。具体为：可以按照预设成分切取相应位置并加工成板状试样，通 过热处理使样品在所选区域成分均匀化，并通过检测手段进行对样品性能组织的表 征。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.高效快速：本发明基于搅拌摩擦焊接技术，可在1小时内制备多个具有不同 成分的块状样品，方便后续测试，且样品大小，样品间成分梯度均易于调控。相较 于传统高通量制备技术无需控制真空度，磁场，温度等外界条件，涉及的设备也较 少，操作简便

2.成分精准：本方法为固相加工技术，相较于传统熔炼铸造等方法不会产生元 素烧损等问题，适用范围大。

3.样品对照性好：所得到的多个样品均在同一制备条件下获得，大大减少了制 备环境不同可能带来的影响，且得到的样品均为均匀细小的再结晶晶粒，性能优异。

4.绿色环保：材料在制备过程中无需熔化，能耗低；整个制备过程为固相反应， 不产生烟尘及有害气体，绿色无污染。

5.制备样品尺寸大：制备得到的样品体积大，尺寸满足常规拉伸实验需求。可 通过随后的热处理，加工继续调整材料的组织性能。

附图说明

图1为本发明制备示意图；

图2为实施例1搅拌头位置及加工路径示意图(俯视)；

图3为实施例1制备样品实物图；

图4为实施例1实验结果示意图；

图5为实施例2搅拌头位置及加工路径示意图(俯视)；

图6为实施例3中多元素高通量梯度材料制备示意图；

图7为实施例4中多元素高通量梯度材料制备示意图；

其中1、3、8为异种板材，2为加工区域，4为搅拌针，5为样品，6为起始 位置，7为结束位置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

实施例1提供了一种镁铝锌三元合金的高通量制备方法：

(1)将成分分别为Mg-3％Al-1％Zn的异种板材1和Mg-9％Al-1％Zn的异种 板材3两块三元合金板作为实验母材，异种板材1和异种板材3的尺寸均为 50mm*100mm*6mm，将两块三元合金板按照工艺步骤所述准备工作进行处理：采 用丙酮作为清洗剂，将板材进行清洗：在超声波的作用下清洗3分钟，去除母材表 面灰尘及油污，清洗后的母材烘干备用；采用240#到2000#号砂纸逐级打磨，将接 触面打磨平整，便于两材料间更紧密的贴合，以保证制备得到的样品质量，同时， 在这一过程中材料表面氧化膜被去除掉，便于材料的混合，清洗打磨完毕后，将异 种板材1和异种板材3贴合在一起并置于焊接平台固定好。

(2)母材装夹：将处理后的母材装夹固定于焊接平台上，具体为：打磨过的 多块板材对接放置，通过装夹装置固定板材，保证母材板与砧板之间不发生位移， 相邻板材之间的缝隙为相邻板材接缝线；

(3)搅拌摩擦加工：采用针长5.7mm，直径为8mm的带有螺纹的搅拌针4 进行加工，搅拌针4与两板材相对位置如图2所示，加工过程中起始位置位于6 处，搅拌针完全位于异种板材1(Mg-3Al-1Zn)侧，且与相邻板材接缝线相切；同 理加工过程结束位置位于7处，材料完全位于异种板材3(Mg-9Al-1Zn)侧，焊接 长度L为80mm。加工区域2如图1～2所示。焊接时转速为1500rpm，焊接速度为 50mm/min。完成一次加工后使搅拌头返回起点位置改变搅拌头旋转方向，重复加 工。累计加工三次后，所得材料基本实现均匀混合。

(4)沿搅拌摩擦加工方向切取样品，如图3所示，样品5厚度为1.5mm，夹 持段宽度为6mm，平行段宽度为2mm，长度为7mm对材料进行进一步热处理使 得材料均匀化，热处理温度为350℃，处理时间为24h。此时制备得到成分均匀的 块体样品。对样品进行力学性能分析，发现强度随Al含量的增加而增加，对样品 组织进行分析，发现晶粒尺寸随Al含量增加而减少，样品织构得到弱化(如图4 所示)。

实施例2：

实施例2提供了一种Al-SiC复合材料的高通量制备方法。将含量分别为0％， 40％的Al基复合材料作为母材，板材尺寸分别为：50mm*100mm*6mm将合金板 按照工艺步骤所述准备工作进行处理，清洗打磨完毕后，置于焊接平台固定好。

采用针长5.4mm，直径为8mm的带有螺纹的搅拌针进行加工，搅拌针与两板 材相对位置如图5所示，在起始位置位于6处，搅拌针完全位于Al合金侧，且与 接缝线相切；同理结束位置7处，搅拌针完全位于Al-40％SiC侧。焊接长度L为 40mm。焊接时转速为600rpm，焊接速度为100mm/min。加工方向如图5所示， 根据需要在SiC含量为10％、20％、30％处改变方向角以在此三个成分下制备体 积更大更均匀的样品(图5中a,b,c所示区间)，完成一次加工后使搅拌头返回起点 位置改变搅拌头旋转方向，重复加工。累计加工五次后，所得材料基本实现均匀混 合。且相较于母材SiC更加弥散，无团聚现象。

对所得到的样品沿加工方向切开，通过金相以及EBSD表征发现SiC含量呈 梯度上升，晶粒度逐渐减小。材料硬度逐渐升高。对材料进行热处理加工，发现随 着SiC含量的升高，晶粒的异常长大现象逐渐减弱，强度随SiC的增多而增强。

实施例3：

实施例3提供了一种含有铜锂镁三中元素的铝合金的高通量制备方法。将 Al-Cu(异形板材3)、Al-Mg(异形板材1)以及楔形Al-Li(异形板材1)的合金 板作为实验母材，将合金板按照工艺步骤所述准备工作进行处理，清洗打磨完毕后， 置于焊接平台固定好。

采用针长2.8mm，直径为5mm的带有螺纹的搅拌针进行加工，搅拌针与两板 材相对位置如图6所示，起始时搅拌针完全位于异形板材3(Al-Cu合金)侧，且 与接缝线相切；结束时搅拌头，完全位于异形板材1(Al-Mg)侧。焊接长度L为 40mm。焊接时转速为1200rpm，焊接速度为75mm/min。完成一次加工后使搅拌 头返回起点位置改变搅拌头旋转方向，重复加工。累计加工三次后，所得材料基本 实现均匀混合。通过该方法制备得到Cu、Li、Mg变化的Al合金样品，对得到的 样品沿加工方向连续切取厚度为1mm的样品，取样所得的样品中Cu、Li、Mg三 种元素呈梯度变化。

实施例4：

实施例4提供了一种高熵合金的高通量制备方法。将成分分别为等摩尔比的FeCoCrNiMn、FeCoCrNi、FeCoCrNiAl合金板作为实验母材，板尺寸分别为 50mm*50mm*6mm，50*100*6mm、50mm*50mm*6mm将板材按照上述工艺进行 焊前处理，参照图7所示相对位置对板材进行装夹。

采用针长为5.4mm，直径为8mm带螺纹的搅拌针进行加工，搅拌针开始时完 全位于异型板材3(FeCoCrNi合金板)侧，在第一阶段搅拌针由FeCoCrNi侧完全 偏置向FeCoCrNiMn(异形板材1)和FeCoCrNiAl(异形板材8)交界处，当搅拌 针完全离开于FeCoCrNi侧时，按照程序设定使搅拌针逐渐进入FeCoCrNi。焊接 时转速为1800rpm、焊接速度为50mm/min。完成一次加工后使搅拌头返回起点位 置6改变搅拌头旋转方向，重复加工。累计加工五次后，所得材料基本实现均匀混 合。

将经过搅拌摩擦加工后的材料进行轧制处理，采用多道次轧制，变形量按10％ 进行累加，总变形量为50％。制备得到材料终轧厚度为3mm，样品总长L为200mm。

通过这种方式可以实现一次装夹实现了Mn、Al两种元素的成分呈连续变化 的块体材料。按照研究要求可按一定间距切取样品，得到不同成分配比的样品。并 可经过后期热处理使得材料成分均匀化。

以上详细描述了本发明的四种实施方案，列举了本发明可以应用的四种材料体系。本发明并没有限定可制备的材料体系，制备的工艺参数等。本领域的技术人员 可以根据本发明做出许多修改与变化。因此，凡是本技术领域中的技术人员按照本 发明的构思通过逻辑分析、推理或实验得到的技术方案，均在由权利要求书所确定 的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于搅拌摩擦技术的高通量块体材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定研究目标，选用成分配比不同、厚度相同的多块板材作为母材，进行预处理，并将处理后的母材装夹固定于加工平台上；

(2)设定搅拌摩擦加工过程中的实验参数，并按照一定方向完成加工，得到的块体材料中，目标组元成分沿加工方向产生可控变化；其中按照一定方向完成加工是指：调整搅拌头与相邻板材接缝线的相对位置，使搅拌头从起始位置沿加工方向加工至结束位置，其中，起始位置相切或相离于相邻板材接缝线，并完全位于某一母材侧，加工路线穿越相邻板材接缝线，结束于接缝线另一侧，加工方向与相邻板材接缝线的夹角为α，0°<α<90°。

2.根据权利要求1所述的一种基于搅拌摩擦技术的高通量块体材料制备方法，其特征在于，所述的预处理包括对板材的清洗、干燥和打磨，以保证所制备材料成分精准、无杂质。

3.根据权利要求1所述的一种基于搅拌摩擦技术的高通量块体材料制备方法，其特征在于，所述的研究目标为组元含量变化的块体材料，作为母材的不同板材中组元含量所构成的组元含量区间涵盖所研究的目标组元含量区间。

4.根据权利要求3所述的一种基于搅拌摩擦技术的高通量块体材料制备方法，其特征在于，所制备的块体材料包含多种组元成分，当目标组元数量n>1时，所选的多块母材涵盖所研究的各组元成分区间，通过对不同母材相对位置的设计和加工路线规划实现高通量制备多组元含量变化的块体材料。

5.根据权利要求1或3所述的一种基于搅拌摩擦技术的高通量块体材料制备方法，其特征在于，对于制备任意组元A含量在[a％,b％]上变化的高通量块体材料，选用组元A含量分别为a％和b％的板材作为母材，其中a为0～100，b为100～0，且a小于b。

6.根据权利要求5所述的一种基于搅拌摩擦技术的高通量块体材料制备方法，其特征在于，所述的组元A为合金中的某一元素或复合材料中的某一相，当研究目标为元素时，含量即为元素在复合材料中的含量；当研究目标为复合材料中某一相时，含量即为该种相在复合材料中所占比例。

7.根据权利要求1所述的一种基于搅拌摩擦技术的高通量块体材料制备方法，其特征在于，所述的搅拌摩擦为多道次重复加工，不同加工道次间可改变搅拌头旋转方向，加工道次为1-20次。

8.根据权利要求1所述的一种基于搅拌摩擦技术的高通量块体材料制备方法，其特征在于，经过搅拌摩擦加工制备的块体材料可以通过进一步轧制、锻造加工和热处理方式对样品质量和形状进行改变。

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